UCLA ebnet den Weg für besseres Lithium

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Lithium-Ionen-Batterien wurden in den 1980er Jahren von John B. Goodenough erfunden und sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Sie bilden effektive Speichersysteme für elektrische Energie und werden in Elektronik, Spielzeug, handgeführten Elektrowerkzeugen, Klein- und Großgeräten, kabellosen Kopfhörern, Elektrofahrzeugen usw. eingesetzt.

Aber sie bringen ihre Risiken und Herausforderungen mit sich. Bei zu schnellem Laden können diese Batterien explodieren oder Brände verursachen. Sie können extrem hohe Ströme liefern und sich bei Kurzschluss schnell entladen.

Tatsächlich sind in New York City aufgrund der Lithium-Ionen-Batterien, die diese Fahrräder antreiben, über 100 Fahrräder explodiert. Allein in diesem Jahr kam es zu 13 Todesfällen.

Lithium-Ionen-Batterien stammen von einer anderen Technologie ab – der Lithium-Metall-Batterie, die aufgrund ihrer etwa doppelt so hohen Energiekapazität ein höheres Explosionsrisiko aufweist.

Eine Lithium-Ionen-Batterie speichert positiv geladene Lithiumatome in einer käfigartigen Struktur aus Kohlenstoff, die eine Elektrode umhüllt. Bei einer Lithium-Metall-Batterie hingegen wird die Elektrode mit metallischem Lithium beschichtet, wodurch zehnmal mehr Lithium im gleichen Raum untergebracht wird. Letzterer verfügt dadurch über einen leistungsstärkeren Akku.

Und nun behauptet eine Studie eines Forschungsteams der University of California Los Angeles (UCLA), dass es einen Weg gefunden hat, die Explosion von Lithium-Metall-Batterien zu verhindern. Dies könnte zu sichereren Lithium-Metall-Batterien führen, die das Potenzial haben, Lithium-Ionen-Batterien zu übertreffen.

Wenn die Lade- und Entladeströme sowie die Temperatur der Batterien kontrolliert werden, sind sie sicher. Allerdings kann metallisches Lithium sofort korrodieren, wenn das Metall auf eine Oberfläche, beispielsweise eine Elektrode, aufgetragen wird, da es schnell mit Chemikalien reagiert. Doch das Team der UCLA hat eine Technik entwickelt, die diese Korrosion verhindert.

Das Team verhinderte die Korrosion und stellte fest, dass sie anstelle der „klobigen“ oder „säulenartigen“ Formen, die die Lithiummetallstruktur normalerweise annehmen würde, ein einzelnes Polyeder sahen, das das Team als „rautenförmiges Dodekaeder, eine zwölfseitige Figur“ beschreibt „ähnlich den Würfeln, die in Rollenspielen wie Dungeons and Dragons verwendet werden“, heißt es in der Pressemitteilung.

Da keine Korrosion vorliegt, sagte das Team, dass das singuläre Polyeder die wahre Form von Lithium sei. Die Entdeckung kann erhebliche Auswirkungen auf die Hochleistungsenergietechnologie haben.

„Wissenschaftler und Ingenieure haben über zwei Jahrzehnte lang an der Synthese von Metallen wie Gold, Platin und Silber in Formen wie Nanowürfeln, Nanokugeln und Nanostäben geforscht“, sagte Yuzhang Li, Mitautor der Studie. „Da wir nun die Form von Lithium kennen, stellt sich die Frage: Können wir es so anpassen, dass es Würfel bildet, die dicht gepackt werden können, um sowohl die Sicherheit als auch die Leistung von Batterien zu erhöhen?“

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Studienzusammenfassung:

Die galvanische Abscheidung von Lithium (Li)-Metall ist für Hochenergiebatterien von entscheidender Bedeutung. Allerdings erschwert die gleichzeitige Bildung eines Oberflächenkorrosionsfilms, der sogenannten Festelektrolyt-Interphase (SEI), den Abscheidungsprozess, was unser schlechtes Verständnis der elektrochemischen Abscheidung von Li-Metall untermauert. Hier entkoppeln wir diese beiden miteinander verflochtenen Prozesse, indem wir die SEI-Bildung bei ultraschnellen Abscheidungsstromdichten übertreffen und gleichzeitig Einschränkungen beim Massentransport vermeiden. Mithilfe der kryogenen Elektronenmikroskopie entdecken wir, dass die intrinsische Abscheidungsmorphologie von metallischem Li die eines rhombischen Dodekaeders ist, was überraschenderweise unabhängig von der Elektrolytchemie oder dem Stromkollektorsubstrat ist. In einer Knopfzellenarchitektur weisen diese rhombischen Dodekaeder eine nahezu punktförmige Konnektivität mit dem Stromkollektor auf, was die Bildung von inaktivem Li beschleunigen kann. Wir schlagen ein Pulsstromprotokoll vor, das diesen Fehlermodus überwindet, indem es rhombische Li-Dodekaeder als Keimbildungskeime nutzt und so das anschließende Wachstum von dichtem Li ermöglicht, das die Batterieleistung im Vergleich zu einer Basislinie verbessert. Während Li-Ablagerung und SEI-Bildung in früheren Studien immer eng miteinander verbunden waren, eröffnet unser experimenteller Ansatz neue Möglichkeiten, diese voneinander entkoppelten Prozesse grundsätzlich zu verstehen und neue Erkenntnisse für die Entwicklung besserer Batterien zu gewinnen.